本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷，原文标题：《背靠亚马逊的“柯伊伯”（Kuiper）星座》，题图来自：视觉中国
20世纪末到21世纪初，美国铱星公司历经坎坷率先建立起“铱星”(Iridium Satellite)低轨通信星座，为军、民提供卫星通信服务。随着微小卫星灵活有效载荷、星间链路通信、“一箭多星”发射、低成本制造等技术的发展和成熟，美国SpaceX公司、英国一网公司(OneWeb)、加拿大电信星公司(Telesat)相继提出“星链”(Starlink)、“一网”和“电信星”(Telesat)低轨宽带通信卫星星座，旨在建立全天候、全天时、全球覆盖的卫星宽带网络，可为偏远地区和特殊需求用户提供互联网接入服务。
美国互联网巨头亚马逊电子商务公司也提出了低轨宽带星座计划——“柯伊柏”星座，一并建立的还有亚马逊网络地面服务站(Amazon Web Servicess Ground Station Unit，AWS)，总投资额约100亿美元。
一、星座布局和发射计划
2019年7月，美国柯伊伯系统公司向美国FCC递交了申请书，详细介绍了“柯伊柏”星座的设计和发射计划。“柯伊柏”星座包含3236颗卫星，在590km、610km和630km高度近地轨道，98个轨道平面上排布，可以为北纬56°～南纬56°范围内的美国本土、夏威夷(除了阿拉斯加)以及世界内其它地区提供宽带接入服务。
星座设计中的轨道高度和倾角
资料来源：美国柯伊伯系统公司
“柯伊柏”星座的设计具有以下特点：
使用最少的卫星数量，在北纬56°～南纬56°之间实现最大、最均匀的地形重叠覆盖；
主动离轨时间小于1年，被动离轨时间小于10年，都远低于国际标准；
卫星采用点波束，提高频谱效率和频率复用；
卫星具有一定防辐射功能，可以安装高性能硬件。
“柯伊柏”卫星衰落、离轨迁移周期
星座中，多个平面中的卫星轨道在地球表面形成蜂窝图案的移动卫星视场(Field of View，FOV)，通过在相邻轨道平面上错开卫星位置来“平铺”卫星FOV。
卫星定位可以实现覆盖面积对齐
柯伊伯系统公司计划分五个阶段完成星座的建设布局，如下表格所示。
星座卫星发射序列
资料来源：美国柯伊伯系统公司
在第一阶段的578颗卫星发射完成后，“柯伊柏”星座就可以在北纬39°～北纬56°和南纬39°～南纬56°范围内开始提供服务，为了不和其它GSO或NGSO的卫星系统产生潜在干扰，在限制的纬度范围外的宽带接入服务将受到一定的限制。
星座部署完成后，美洲大陆各纬度覆盖的卫星数量
二、星载天线
“柯伊柏”卫星的用户波束使用星载数字多波束相控阵天线，具有容易实现多波束、极低的副瓣电平、可根据覆盖区域的变化进行波束指向控制或波束重构、可在较大扫描角度范围内灵活跳变以及在波束之间进行功率分配、可方便进行通道幅相误差校正和自适应干扰调零等特点。
这套多波束相控阵天线可以与地球网关(Gateway)进行通信，通过对相位和幅度的调整来实现对波束形状的改变、波束扫描及波束功率分配，配合星上软件定义功能，可基于既定区域的业务需求，按需灵活分配频率和容量，实现上下行所有业务的全星上再生、星上交换、星上重封装等功能。
星载调制解调器支持大范围的通信调制和编码选项，包括最新一代低密度奇偶校验码(Low Density Parity-check Code，LDPC)的前向错误更正。每个调制解调器支持每个用户链路的自适应编码和调制。
“柯伊柏”星座系统通信载荷总览
1. 用户波束(Users Beam)
“柯伊伯”卫星的多波束相控阵天线用户波束可以为客户提供连接各地的虚拟点，支持连接数大约为300平方千米内的虚拟点，更大范围(500平方千米)的用户波束(2dB)可在需要更大点波束尺寸覆盖的情况下使用。用户波束通过不断更新其对指定虚拟点的系数以补偿卫星运动状态的改变。用户波束在卫星之间的切换几乎可以达到无缝衔接。
用户点波束由“柯伊伯”系统的“软件定义网络”(SDN)分配并支持重分配，综合考虑GSO排除角、掠过(服务覆盖区域边缘的用户)以及内联干扰事件。当某个虚拟点的备用卫星可用时，“柯伊伯”系统SDN以最佳方式将卫星分配到该虚拟点，以获得最佳连接效果。SDN能够快速切换卫星资源，实现快速资源重新分配，同时限制或控制流量。在备用卫星不可用的情况下，SDN还支持按需进行频谱拆分。
华盛顿地区多频率/多虚拟点覆盖图，不同颜色代表不同频率，每个卫星在同一时刻只能在一个频率提供一个虚拟点
每个“柯伊伯”卫星用户波束天线产生多个独立的、可操纵的、可整形的、具有可变信道带宽的Ka波段波束。590km、610km高度的卫星波束与630km高度卫星的波束大致匹配，使得所有“柯伊伯”卫星具有大致相同的点波束覆盖范围，并支持用户顺畅切换。
用户的上行链路和下行链路波束轮廓在星下点是圆形，但是，有几个因素会导致波束轮廓随着倾斜角的增加而变宽，逐渐变成椭圆形：
相控阵天线波束在转向方向上变宽(宽度几乎保持与转向方向垂直)；
光束在地球表面的投影随着它远离星下点而拉长；
地球曲率因素在一个方向上拉长了波束。
为了抵消这种影响，星下点的波束将稍微加宽(同时保持圆形)。当波束偏离星下点时，波束将被收紧以保持形状尽可能接近圆形。
左：300平方千米星下点覆盖范围波束增益等值线
右：35°天线仰角，300平方千米星下点覆盖范围波束增益等值线
每颗“柯伊伯”卫星上的相控阵天线能够以星下点为中心的48.2°的范围内工作。这个角度范围对应于在630km高度的卫星下方约1560000平方千米的覆盖区域。590km、610km、630km高度卫星对应的最小仰角分别为35°、35.2°和35.4°。
用户波束范围
2. 网关波束(Gateway Beam)
网关链路始终是点对点连接，卫星和网关通过网关链路协调系统控制信息传递。在整个链路连接期间，两个天线的指向都会以毫秒为单位进行更新，以最大限度地提高网关链路通量。网关和卫星都使用一个额外的天线来进行切换，可以避免在站点之间切换时丢失信号，且为不同轨道的卫星在通过多个网关时提供无缝切换。每个网关站点都有四个有源天线，所有天线都可以使用所有网关馈电频率。
美国网关站点数大约同为美国上方的活跃卫星数量相近。前期，网关站点的部署数量是星座建立初期所覆盖的纬度区域所需的最少数，同时根据项目进度和已投入使用的卫星数量逐步增加;在存在较高雨衰的地区，网关部署数量将额外增加；沿海岸地区网关数量也会额外增加，满足更多离岸客户的需求。
网关站点与卫星的上/下行链路通信采用了机械抛物面反射器天线。与用户波束类似，网关波束投影随着波束远离星下点而变宽(倾斜角和地球曲率的影响)。
左：星下点网关波束上行链路，17.7GHz，2.8°半功率角(HPBW)
右：最大倾斜角网关波束下行链路，17.7GHz，2.8°HPBW
网关波束的覆盖范围比用户波束覆盖范围更广，在630km高度的卫星可以连接以星下点为中心的58°范围内的地面网关站点，覆盖面积可以达到3200000平方千米。
3. 测控波束(TT&C Beam)
卫星的测控连接采用HPBW固体波束天线。“柯伊伯”卫星上有多个贴片天线，保证卫星在任何姿态下都能实现测控连接。
测控波束覆盖范围
三、频率占用
所有“柯伊伯”卫星系统的客户终端、网关站点和测控通信都采用Ka波段频率，大致范围在17.7～30.0GHz范围内。
1. 用户链路(User Links)
用户下行链路利用了卫星上的相控阵天线，可向客户终端提供可操纵的整形波束(峰值增益为30～45dBi)。用户下行链路波束可以容纳千兆级吞吐量，具体取决于可用频谱、用户天线增益和操作条件。
用户上/下行链路频率
资料来源：美国柯伊伯系统公司
用户下行链路频谱被划分为100MHz信道。100MHz信道可以聚合为200～500MHz带宽范围的宽信道。每个卫星上的相控阵天线可以使用三个主要频段中的一个，每个频段由4到5个信道组成。
用户下行链路通道选择
资料来源：美国柯伊伯系统公司
用户上行链路频谱在28.5～29.1GHz之间，600MHz带宽按每50MHz划分，可以单独或合并成50～200MHz的带宽使用。这样设计的原因是，由于大多数用户上/下链路传输的非对称性，所以上行链路频谱总带宽比下行链路总带宽窄。用户信道通过FDMA(频率分配)、TDMA(由卫星为每个用户分配时间)、CDMA(按代码分配)等方式在多个上行链路终端之间共享。
2. 网关链路(Gateway Links)
网关链路的通信启用直径1～2.4m的卫星抛物面天线和地面抛物面天线。上行链路频段划分为50MHz带宽信道，下行链路频段划分为100MHz带宽信道。这些信道也可以聚合成更宽的频带段。
网关上/下行链路频率
资料来源：美国柯伊伯系统公司
3. 测控链路(TT&C Links)
测控链路通信带宽可以分为1、5、10、20和50MHz。在轨和离轨条件下，通过测控链路发送的地面控制命令可以单独启用或禁用所有天线波束。如果与地面站的通信在预定等待期内停止，则卫星将执行自动停止传输程序，防止卫星传输过程中出现故障。
测控(TT&C)上/下行链路频率
资料来源：美国柯伊伯系统公司
四、地面设施建设
“柯伊伯”星座地面终端都遵循一套操作规则，即除了初始网络进入(Initial Network Entry，INE)或测控(TT&C)操作外，所有地面终端都遵循协调切换控制，仅在分配了特定卫星和频率后才会发送或接收信息。这套规则避免干扰其它GSO或NGSO卫星系统的信号传播。地面终端只有在达到下表所述的最小仰角后才能运行。地面终端无法在以下俯仰角访问“柯伊伯”星座网络。
地面终端最小俯仰角
资料来源：美国柯伊伯系统公司
1. 用户终端(User Terminals)
“柯伊伯”系统允许客户在住宅、公司企业或交通工具上安装电子控制的相控阵天线或机械控制抛物面天线等终端访问“柯伊伯”卫星网络。
此外，“柯伊伯”系统将和亚马逊的12个地面卫星设施网络服务中心(AWS Ground Station Unit)联合形成巨大的网络。每个AWS设施安装有星地通信天线，目前已建成6个，分别位于瑞典、巴林岛国(Bahrain)、澳大利亚、爱尔兰和美国(美国建有2个)。亚马逊计划将其地面卫星网络基础设施的使用权出租给需要访问卫星数据的公司或公共部门组织;还计划通过复制云计算模块，为客户提供一种更灵活、更具成本效益的访问卫星数据的方式来。
用户终端相控阵天线示意图
2. 网关地面终端(Gateway Terminals)
网关地面终端将分布在整个卫星服务区域内(北纬56°～南纬56°)，每颗“柯伊伯”卫星都能访问两个不同的网关地面终端，目的是满足系统吞吐量并减少内联干扰事件。来自多个网关地面终端的流量通过地面光纤回传链路连接到互联网交换点(Internet Exchange Point，IXP)或PoP接入点。
在每个IXP或PoP点，“柯伊伯”系统与内容分发商、亚马逊AWS网络服务站点、互联网、第三方服务提供商或电信服务商连接，如下图：
“柯伊伯”系统网络构架
总结
亚马逊公司以“AWS全球地面网络和计算基础设施，包括洲际光纤链路、数据中心、计算/边缘计算功能”推动系统研发、部署以及与地面网络的互联，有望将“柯伊伯”星座服务与亚马逊公司其他业务线。[4]“柯伊伯”系统除地面站服务外，还将在美国5G业务部署中提供回程传输服务。
然而，对比如火如荼建设的“星链”(Starlink)星座系统，“柯伊伯”系统并没有太多的突出的特点和性能优势：前者计划在极低轨和低轨布局超4万颗卫星，工作频率为Ka/Ku和V，为南北纬15°～60°之间提供宽带接入服务，无论通讯速率还是时延都较“柯伊伯”更优；初期，SpaceX极低的发射成本也降低了“星链”的使用成本。
“星链”星座系统概念图
从这些方面来看，“柯伊伯”的竞争面临着极大的挑战，何况蓝色起源(Blue Origin)运载火箭的研制进度一拖再拖，“柯伊伯”星座不得不先使用ULA的“宇宙神Ⅴ”(Atlas Ⅴ)。“柯伊伯”星座与“星链”相比若要取得更大的竞争优势：
需要和亚马逊其它如云计算、视频服务、电子商务等业务线结合，打造新型的综合信息服务云平台[4]；
期待蓝色起源更低成本运载工具的投产；
专注在北美地区提供更优质的宽带接入服务；
降低长期运营成本，“星链”近三分之二的卫星都处于300km+极低轨，注定衰落速度快(5年)，而“柯伊伯”星座500km高度轨道卫星衰落期长(7年)，长期来看“柯伊伯”星座单星运营成本远低于“星链”。
参考资料：
[1] Application of Kuiper Systems LLC for Authority to Launch and Operate a Non-Geostationary Satellite Orbit System in Ka-band Frequencies TECHNICAL APPENDIX
[2] Application of Kuiper Systems LLC for Authority to Launch and Operate a Non-Geostationary Satellite Orbit System in Ka-band Frequencies
[3] Amazon Kuiper-Information Note
[4]纪凡策.“柯伊柏”星座介绍及与其他星座对比分析[J].国际太空,2020(12):27-31.
本文来自微信公众号：高端装备产业研究中心（ID：chinaequip），作者：太阳谷